基于图像识别技术的堆石模拟分析方法及系统

摘要

本发明公开了一种基于图像识别技术的堆石模拟分析方法及系统，获取实际堆石孔隙率；关闭控水阀，给量杯中注入液体到堆石体模型箱中的模拟仓面高度，根据实际堆石孔隙率计算等比的孔隙体积，在量杯中再注入与孔隙体积等体积的液体；开启控水阀，使量杯内的液体流入堆石体模型箱；在堆石体模型箱中按照现场的堆石过程分层堆放模拟材料颗粒，实时采集堆石体模型箱中的仓面堆石图像，并记录堆石体模型箱中的堆石高度位置以及每个位置对应量杯中的水位高度，直至堆石体模型箱中的模拟材料颗粒和量杯中的液体同时达到模拟仓面高度；对仓面堆石图像进行颗粒图像分析。由此，为堆石混凝土工程基础研究和应用基础研究提供数据支撑。

权利要求

1.一种基于图像识别技术的堆石模拟分析方法，其特征在于，包括以下步骤：获取堆石混凝土施工现场环境中某一仓面的实际堆石孔隙率；

在堆石模拟分析系统中，关闭堆石体模型箱与量杯间的控水阀，给量杯中注入液体到所述堆石体模型箱中的模拟仓面高度，根据所述实际堆石孔隙率计算等比的孔隙体积，在量杯中再注入与所述孔隙体积等体积的液体；

开启所述堆石体模型箱与量杯间的控水阀，使量杯内的液体流入所述堆石体模型箱；

在所述堆石体模型箱中按照现场的堆石过程分层堆放模拟材料颗粒，实时采集所述堆石体模型箱中的仓面堆石图像，并记录所述堆石体模型箱中的堆石高度位置以及每个位置对应量杯中的水位高度，直至所述堆石体模型箱中的模拟材料颗粒和量杯中的液体同时达到所述模拟仓面高度；

对采集到的所述堆石图像和记录的所述堆石体模型箱中的堆石高度位置以及每个位置对应量杯中的水位高度进行颗粒图像分析，得到所述仓面堆石图像中各堆石大小、形状、等值线和粒径曲线，以及堆石体三维重建结果。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取堆石混凝土施工现场环境中某一仓面的实际堆石孔隙率，包括：通过某一仓面大小减去该仓面浇筑混凝土的用量得到所述实际堆石孔隙率。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述堆石体模型箱和所述模拟材料颗粒缩放比例一致。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述模拟材料颗粒按照所述堆石混凝土施工现场的堆石等比缩小。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过多台图像采集设备采集所述堆石体模型箱的仓面堆石图像。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，至少有一台图像采集设备垂直于仓面布置，根据采集范围和焦距调整相机组的角度和距离。

7.一种基于图像识别技术的堆石模拟分析系统，其特征在于，包括：图像采集系统、堆石体模型、量测系统、图像显示系统和图像分析系统；

所述堆石体模型包括模拟材料颗粒和堆石体模型箱，所述模拟材料颗粒按试验要求的颗粒级配和孔隙率在所述堆石体模型箱内分层铺设；

所述量测系统与所述堆石体模型箱连接，用于实现堆石模拟中的孔隙率；

所述图像采集系统与所述图像分析系统连接，用于实时采集所述堆石体模型中的堆石颗粒的分布情况，并将其传输至所述图像分析系统；

所述图像分析系统用于利用图像识别算法对所述堆石体模型箱中的所述模拟材料颗粒进行分析和识别；

所述图像显示系统与所述图像分析系统连接，用于显示所述图像分析系统的结果；

所述量测系统包括控水阀门和连通量杯，所述连通量杯上有刻度标尺；

所述控水阀门一端连接所述连通量杯，另一端连接所述堆石体模型箱，所述连通量杯的容积大于堆石体模型箱堆满模拟材料颗粒时的孔隙体积。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述图像采集系统包括角度可调的摄像机组和可伸缩支架；

所述可伸缩支架一端进行固定，另一端连接所述摄像机组；

所述可伸缩支架用于调节所述摄像机组距离所述堆石体模型箱的高度；

所述摄像机组用于多个角度采集所述堆石体模型箱中的仓面堆石图像。

9.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述图像采集系统与所述图像分析系统通过有线连接或无线连接，所述有线连接包括通信光缆连接，所述无线连接包括蓝牙连接。

说明书

基于图像识别技术的堆石模拟分析方法及系统

技术领域

[0001] 本发明涉及水利工程技术领域，特别涉及一种基于图像识别技术的堆石模拟分析方法及系统。

背景技术

[0002] 堆石粒径分布是影响堆石混凝土密实程度的影响因素。堆石太小难以保证混凝土的填充率，直接影响工程质量，带来安全隐患；而堆石过大增加了筛选堆石的成本，同时使得混凝土的体积百分比升高，造成了原材料浪费，使得工程成本大大增加。

[0003] 在施工过程中为了能够让施工顺利进行，一般要求堆石的最小粒径不小于300mm，使得堆石空隙有足够的横截面积，保证自密实混凝土能够顺利通过堆石空隙。常见的堆石粒径控制方法是使用钢筛筛除粒径小于300mm的堆石。但是对于大规模的工程堆石，筛分法成本太高，工程中普遍采用检测人员人工目测的办法，还没有快速获取大量堆石粒径信息的方法。

发明内容

[0004] 本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

[0005] 为此，本发明的一个目的在于提出一种基于图像识别技术的堆石模拟分析方法，该方法为堆石混凝土工程基础研究和应用基础研究提供数据支撑。

[0006] 本发明的另一个目的在于提出一种基于图像识别技术的堆石模拟分析系统。

[0007] 为达到上述目的，本发明一方面实施例提出了一种基于图像识别技术的堆石模拟分析方法，包括：

[0008] 获取堆石混凝土施工现场环境中某一仓面的实际堆石孔隙率；

[0009] 在堆石模拟分析系统中，关闭堆石体模型箱与量杯间的控水阀，给量杯中注入液体到所述堆石体模型箱中的模拟仓面高度，根据所述实际堆石孔隙率计算等比的孔隙体积，在量杯中再注入与所述孔隙体积等体积的液体；

[0010] 开启所述堆石体模型箱与量杯间的控水阀，使量杯内的液体流入所述堆石体模型箱；

[0011] 在所述堆石体模型箱中按照现场的堆石过程分层堆放模拟材料颗粒，实时采集所述堆石体模型箱中的仓面堆石图像，并记录所述堆石体模型箱中的堆石高度位置以及每个位置对应量杯中的水位高度，直至所述堆石体模型箱中的模拟材料颗粒和量杯中的液体同时达到所述模拟仓面高度；

[0012] 对采集到的所述堆石图像和记录的所述堆石体模型箱中的堆石高度位置以及每个位置对应量杯中的水位高度进行颗粒图像分析，得到所述仓面堆石图像中各堆石大小、形状、等值线和粒径曲线，以及堆石体三维重建结果。

[0013] 本发明实施例的基于图像识别技术的堆石模拟分析方法，通过获取实际堆石孔隙率；关闭控水阀，给量杯中注入液体到堆石体模型箱中的模拟仓面高度，根据实际堆石孔隙率计算等比的孔隙体积，在量杯中再注入与孔隙体积等体积的液体；开启控水阀，使量杯内的液体流入堆石体模型箱；在堆石体模型箱中按照现场的堆石过程分层堆放模拟材料颗粒，实时采集堆石体模型箱中的仓面堆石图像，并记录堆石体模型箱中的堆石高度位置以及每个位置对应量杯中的水位高度，直至堆石体模型箱中的模拟材料颗粒和量杯中的液体同时达到模拟仓面高度；对仓面堆石图像进行颗粒图像分析。由此，为堆石混凝土工程基础研究和应用基础研究提供数据支撑。

[0014] 另外，根据本发明上述实施例的基于图像识别技术的堆石模拟分析方法还可以具有以下附加的技术特征：

[0015] 可选地，所述获取堆石混凝土施工现场环境中某一仓面的实际堆石孔隙率，包括：

[0016] 通过某一仓面大小减去该仓面浇筑混凝土的用量得到所述实际堆石孔隙率。

[0017] 可选地，所述堆石体模型箱和所述模拟材料颗粒缩放比例一致。

[0018] 可选地，所述模拟材料颗粒按照所述堆石混凝土施工现场的堆石等比缩小。

[0019] 可选地，通过多台图像采集设备采集所述堆石体模型箱的仓面堆石图像。

[0020] 可选地，至少有一台图像采集设备垂直于仓面布置，根据采集范围和焦距调整相机组的角度和距离。

[0021] 为达到上述目的，本发明另一方面实施例提出了一种基于图像识别技术的堆石模拟分析系统，包括：图像采集系统、堆石体模型、量测系统、图像显示系统和图像分析系统；

[0022] 所述堆石体模型包括模拟材料颗粒和堆石体模型箱，所述模拟材料颗粒按试验要求的颗粒级配和孔隙率在所述堆石体模型箱内分层铺设；

[0023] 所述量测系统与所述堆石体模型箱连接，用于实现堆石模拟中的孔隙率；

[0024] 所述图像采集系统与所述图像分析系统连接，用于实时采集所述堆石体模型中的堆石颗粒的分布情况，并将其传输至所述图像分析系统；

[0025] 所述图像分析系统用于利用图像识别算法对所述堆石体模型箱中的所述模拟材料颗粒进行分析和识别；

[0026] 所述图像显示系统与所述图像分析系统连接，用于显示所述图像分析系统的结果。

[0027] 本发明实施例的基于图像识别技术的堆石模拟分析系统，采用计算机控制相机连续拍摄并存储图像，然后利用颗粒图像测速技术得到边坡模型材料颗粒的细观结构和孔隙连通性等数据，从而实现堆石体和混凝土相互作用的真正可视化研究，可很好的揭示混凝土的填充规律，可为堆石混凝土工程基础研究和应用基础研究提供数据支撑。

[0028] 另外，根据本发明上述实施例的基于图像识别技术的堆石模拟分析系统还可以具有以下附加的技术特征：

[0029] 可选地，所述图像采集系统包括角度可调的摄像机组和可伸缩支架；

[0030] 所述可伸缩支架一端进行固定，另一端连接所述摄像机组；

[0031] 所述可伸缩支架用于调节所述摄像机组距离所述堆石体模型箱的高度；

[0032] 所述摄像机组用于多个角度采集所述堆石体模型箱中的仓面堆石图像。

[0033] 可选地，所述量测系统包括控水阀门和连通量杯，所述连通量杯上有刻度标尺；

[0034] 所述控水阀门一端连接所述连通量杯，另一端连接所述堆石体模型箱，所述连通量杯的容积大于堆石体模型箱堆满模拟材料颗粒时的孔隙体积。

[0035] 可选地，所述图像采集系统与所述图像分析系统通过有线连接或无线连接，所述有线连接包括通信光缆连接，所述无线连接包括蓝牙连接。

[0036] 本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

[0037] 本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

[0038] 图1为根据本发明一个实施例的基于图像识别技术的堆石模拟分析方法流程图；

[0039] 图2为根据本发明一个实施例的基于图像识别技术的堆石模拟分析方法流程框图；

[0040] 图3为根据本发明一个实施例的堆石和标尺示意图；

[0041] 图4为根据本发明一个实施例的基于图像识别技术的堆石模拟分析系统结构示意图。

[0042] 附图说明：1‑摄像机组，2‑可伸缩支架，3‑堆石体模型箱，4‑刻度标尺，5‑控水阀，6‑量杯，7‑信号线，8‑图像显示系统，9‑图像分析系统。

具体实施方式

[0043] 下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

[0044] 下面参照附图描述根据本发明实施例提出的基于图像识别技术的堆石模拟分析方法及系统。

[0045] 首先将参照附图描述根据本发明实施例提出的基于图像识别技术的堆石模拟分析方法。

[0046] 图1为根据本发明一个实施例的基于图像识别技术的堆石模拟分析方法流程图。

[0047] 图2为根据本发明一个实施例的基于图像识别技术的堆石模拟分析方法流程框图。

[0048] 如图1和图2所示，该基于图像识别技术的堆石模拟分析方法包括以下步骤：

[0049] 步骤S1，获取堆石混凝土施工现场环境中某一仓面的实际堆石孔隙率。

[0050] 具体地，在堆石混凝土施工现场，根据资料或量测信息计算某一仓面的实际堆石孔隙率。

[0051] 可选地，现场堆石体的孔隙体积可以通过某一仓面大小减去该仓面浇筑混凝土的用量(即拌合楼的混凝土生产方量)计算得到，也可以根据设计资料直接获取。

[0052] 步骤S2，在堆石模拟分析系统中，关闭堆石体模型箱与量杯间的控水阀，给量杯中注入液体到堆石体模型箱中的模拟仓面高度，根据实际堆石孔隙率计算等比的孔隙体积，在量杯中再注入与孔隙体积等体积的液体。

[0053] 如图3所示，堆石体模型箱和模拟材料颗粒缩放比例要保持一致。可选地，比例为1：10，而模型箱的长宽比可以小于上述比例。模拟材料颗粒按照堆石混凝土施工现场的堆石等比缩小，即控制模拟堆石材料的大小与施工过程中的堆石大小基本一致。量杯中的液体可以为水，也可以使用其他量测孔隙体积的方法或装置代替量杯。

[0054] 步骤S3，开启堆石体模型箱与量杯间的控水阀，使量杯内的液体流入堆石体模型箱。

[0055] 步骤S4，在堆石体模型箱中按照现场的堆石过程分层堆放模拟材料颗粒，实时采集堆石体模型箱中的仓面堆石图像，并记录堆石体模型箱中的堆石高度位置以及每个位置对应量杯中的水位高度，直至堆石体模型箱中的模拟材料颗粒和量杯中的液体同时达到模拟仓面高度。

[0056] 如图2所示，在放置模拟材料颗粒过程中实时判断模拟材料颗粒和量杯中的位置高度，在均达到模拟仓面高度时，停止放置。

[0057] 在模拟材料颗粒高度接近模拟仓面高度时，可以先放置较大的颗粒，边放置边观察连通量杯的高度，同时放置较小的模拟材料颗粒，直到量杯中液体的高度与模拟仓面高度相等。

[0058] 步骤S5，对采集到的堆石图像和记录的堆石体模型箱中的堆石高度位置以及每个位置对应量杯中的水位高度进行颗粒图像分析，得到仓面堆石图像中各堆石大小、形状、等值线和粒径曲线，以及堆石体三维重建结果。

[0059] 在堆石模拟分析系统中，通过多台图像采集设备采集堆石体模型箱的仓面堆石图像，至少有一台图像采集设备垂直于仓面布置，根据采集范围和焦距调整相机组的角度和距离。

[0060] 根据本发明实施例提出的基于图像识别技术的堆石模拟分析方法，通过获取实际堆石孔隙率；关闭控水阀，给量杯中注入液体到堆石体模型箱中的模拟仓面高度，根据实际堆石孔隙率计算等比的孔隙体积，在量杯中再注入与孔隙体积等体积的液体；开启控水阀，使量杯内的液体流入堆石体模型箱；在堆石体模型箱中按照现场的堆石过程分层堆放模拟材料颗粒，实时采集堆石体模型箱中的仓面堆石图像，并记录堆石体模型箱中的堆石高度位置以及每个位置对应量杯中的水位高度，直至堆石体模型箱中的模拟材料颗粒和量杯中的液体同时达到模拟仓面高度；对仓面堆石图像进行颗粒图像分析。由此，为堆石混凝土工程基础研究和应用基础研究提供数据支撑。

[0061] 其次参照附图描述根据本发明实施例提出的基于图像识别技术的堆石模拟分析系统。

[0062] 图4为根据本发明一个实施例的基于图像识别技术的堆石模拟分析系统结构示意图。

[0063] 如图4所示，该基于图像识别技术的堆石模拟分析系统包括：图像采集系统、堆石体模型、量测系统、图像显示系统和图像分析系统。

[0064] 堆石体模型包括模拟材料颗粒和堆石体模型箱，模拟材料颗粒按试验要求的颗粒级配和孔隙率在堆石体模型箱内分层铺设。

[0065] 量测系统与堆石体模型箱连接，用于实现堆石模拟中的孔隙率。

[0066] 图像采集系统与图像分析系统连接，用于实时采集堆石体模型中的堆石颗粒的分布情况，并将其传输至图像分析系统。

[0067] 图像分析系统用于利用图像识别算法对堆石体模型箱中的模拟材料颗粒进行分析和识别。

[0068] 图像显示系统与图像分析系统连接，用于显示图像分析系统的结果。

[0069] 可选地，图像采集系统包括角度可调的摄像机组和可伸缩支架；

[0070] 可伸缩支架一端进行固定，另一端连接摄像机组；

[0071] 可伸缩支架用于调节摄像机组距离堆石体模型箱的高度；

[0072] 摄像机组用于多个角度采集堆石体模型箱中的仓面堆石图像。

[0073] 图像采集系统中的相机位置可调，但要保证相机可以拍到模拟箱的全景。并且至少有一台摄像机垂直于仓面布置，根据采集范围和焦距调整相机组的角度和距离。

[0074] 可选地，图像采集系统与图像分析系统通过有线连接或无线连接，有线连接包括通信光缆连接，无线连接包括蓝牙连接。在有线连接时，图像采集系统中的摄像机组通过通信光缆与图像分析系统连接。

[0075] 可选地，图像分析系统和图像显示系统通过通信光缆连接。

[0076] 可选地，模拟堆石颗粒的最小粒径应大于图像采集系统能识别的最小粒径。

[0077] 可选地，量测系统包括控水阀门和连通量杯，连通量杯上有刻度标尺；控水阀门一端连接连通量杯，另一端连接堆石体模型箱，连通量杯的容积大于堆石体模型箱堆满模拟材料颗粒时的孔隙体积。

[0078] 可选地，图像分析系统利用图像识别算法对模型箱中的石块经识别并通过图像显示设备显示出识别结果。

[0079] 具体地，图像采集系统应配套相应软件(可沿用现有技术)，可对图像分辨率、采样频率、采集持续时间进行设置，并在采集过程中实时将文件进行保存。图像分析系统应与采集系统软件匹配(可沿用现有技术)，可计算图像中各堆石大小、形状、等值线、粒径曲线。同时还可将图像原始数据导出以便后期进行二次开发利用。显示系统将图像分析系统得到的堆石体三维重建结果显示出来。

[0080] 下面介绍一个具体的实施例。

[0081] 现有某水坝正在进行堆石过程，仓面长50米、宽30米、高1.5米，其中堆石粒径的范围在30‑100厘米。取仓面中长为3米、宽为2米的区域为一个目标识别区域，其中该堆石模拟分析系统的具体安装操作为：确定模型中模拟材料颗粒和模型箱边长与原型相似比近似为1：10，即模型箱长度和宽度取为30cm宽为20cm，高度为15cm，作为仓面堆石等比缩小的堆石体模型。选取粒径范围为3‑10cm的模拟石子，按实际的堆石孔隙率将模拟石子放置于模型箱中。将图像采集系统和图像分析系统相连，将图像采集系统相机垂直于仓面布置，并根据采集范围和焦距调整相机组的角度和距离，直至模拟材料颗粒在显示系统上清晰可见。在图像采集系统配套软件上设置图像分辨率、采样频率和持续时间等参数，开始采集。待试验结束后，用图像分析系统将采集到的图像序列进行颗粒图像分析，得到图像中颗粒大小、位置等原始数据，再经过后续二次分析处理，最后得到堆石体三维重建。通过显示系统将堆石体信息进行显示，即达到对堆石体二维结构的监测。

[0082] 需要说明的是，前述对方法实施例的解释说明也适用于该实施例的系统，此处不再赘述。

[0083] 根据本发明实施例提出的基于图像识别技术的堆石模拟分析系统，采用计算机控制相机连续拍摄并存储图像，然后利用颗粒图像测速技术得到边坡模型材料颗粒的细观结构和孔隙连通性等数据，从而实现堆石体和混凝土相互作用的真正可视化研究，可很好的揭示混凝土的填充规律，可为堆石混凝土工程基础研究和应用基础研究提供数据支撑。

[0084] 此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

[0085] 在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

[0086] 尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。